Инверторы тока параллельного типа

Параллельные инверторы находят практическое применение в одно­фазном и трехфазном вариантах. Принципиально они могут быть построены по всем известным структурам силовой схемы, однако практическое применение в основном нашли однофазная и трехфазная двухтактные (мо­стовые) схемы. Подсоединение нагрузки в них выполняется как непосред­ственно к вентильному блоку, так и через трансформатор. При этом ком­мутирующие конденсаторы могут включаться как на первичной, так и на вторичной стороне трансформатора.

Принцип действия и основные свойства инверторов тока параллельного типа [2].

Рассмотрим работу парал­лельного инвертора на примере однофазной двухтактной (мостовой) схе­мы без трансформатора, которая представлена на рисунке 31. Будем считать, что сглаживающая индуктивность в цепи постоянного тока L_d настолько велика, что отсутствуют пульсации входного тока и мгновенное значение его i_d=const. На рисунке 32 по­строены временные диаграммы токов и напряжений, иллюстрирующие работу рассматриваемого инвертора. Для обеспечения ее на управляющие элек­троды тиристоров VI, V2, а также тиристоров V3, V4 необходимо одно­временно, попарно в противофазе пода­вать импульсы тока управления i_уv1, i_уv2 и i_уv3, i_уv4, максимальное значение которых не должно быть меньше тока спрямления тиристоров. Выполнение указанных условий обес­печивает поочередное открытие вентилей VI, V2 и вентилей V3, V4 с частотой f, определяемой частотой следования импульсов тока управления.

Предположим, что нагрузка инвертора активная (cosφ_нг=1; Z_нг=R_нг) и в некоторый момент времени, условно принимаемый за начало отсчета, от­крываются вентили VI, V2. В результате через сопротивление нагруз­ки Z_нг и конденсатор С будет протекать ток, конденсатор будет за­ряжаться на полярность, указанную на рисунке 31. Сумма тока конденсато­ра i_c и тока нагрузки i_нг, равная общему инвертированному току i= i_c + i_нг, остается в течение полупериода постоянной и равной i= i_d =const. Такую же величину в течение полупериода имеют построенные на рисунке 28 токи вентилей i_v1=i_v2=i_d=const..

При открытии через полпериода в момент πуправляющими импульса­ми тиристоров V3, V4 происходит практически мгновенное закрытие вентилей VI, V2 (γ=0), так как к ним оказывается приложенным в обратном направлении напряжение конденсатора, а индуктивных сопротивлений в контурах коммутации нет. С этого момента времени изменя­ется направление инвертирован­ного тока i=i_d=const и тока конденсатора i_c. Конден­сатор начинает перезаряжаться на противоположную полярность, подготавливаясь к последующей коммутации тока на вентили VI, V2. Изменение направления тока нагрузки i_нг произойдет несколь­ко позднее - в момент, когда на­пряжение на конденсаторе u_c, равное напряжению на нагрузке u, станет равным 0. Вследствие принятых условий (L_d=∞; Z_нг=R_нг) процесс перезаряда конденсатора является апериоди­ческим, что в итоге определяет несинусоидальность выходного на­пряжения u, форма кривой кото­рого на временном интервале, равном периоду, представляет со­пряжение двух экспонент (смотри рисунок 32,д).

Представленные на рисунке 32 кривые напряжения на вентилях u_v1=u_v2 и u_v3=u_v4 (рисунок 32,е,ж) показывают, что при мгновенной коммутации тиристоров (угол коммутации γ=0) в течение угла β =δ после закрытия каж­дого вентиля к нему приложено отрицательное напряжение, чем обеспечивается необходимое ус­ловие для восстановления управ­ляемости выключаемого тиристора. Очевидно так же, что угол β равен углу опережения общего инвертированного тока i по отношению к выходному напря­жению u (рисунок 32,з). Отметим, что для выключения тиристора необходимо определенное время, t_q, которое указывается в паспорте этого тиристора. При β <ωt_q происходит срыв коммутации то­ка вентилям инвертора, так как они не успевают восстановить запирающих свойств к моменту, когда напряжение на аноде вновь становит­ся положительным. В результате происходит опрокидывание инвертора, т.е. повторное открытие запираемых вентилей и короткое замыкание питающего источника U_d через индуктивность L_d и вентили схемы. Выходное напряжение переменного тока при этом равно нулю. Вследствие того, что в установившемся режиме работы инвертора угол опережения β выбирается так, чтобы β≥β_min=К_зωt_q, можно считать, что для осуществления коммутации тока вентильное звено схемы инвер­тора потребляет реактивный ток. Внутрисхемным источником этого реак­тивного тока, или реактивной мощности коммутации, является конденса­тор С.

Рисунок 32. Временные диаграммы, поясняющие работу инвертора тока параллельного типа

При изменении величины сопротивления нагрузки инвертора проис­ходит, изменение постоянной времени цепи перезаряда конденсатора, ко­торая, как нетрудно показать, равна T_c=R_нгC. В соответствии с изменением T_c изменяется форма кривой выходного напряжения, форма кри­вой напряжения на вентилях и угол опережения β. При больших значениях R_нг выходное напряжение становится близким к треугольной фор­ме (рисунок 33,а); при малых R_нг выходное напряжение приближается к прямоугольной форме (рисунок 33,6). При коротком замыкании нагруз­ки β =0 и инвертор опроки­дывается.

Работа инвертора при ак­тивно-индуктивной нагрузке ха­рактеризуется тем, что конден­сатор С выполняет двойную роль. Он является источником реактивного тока, необходимого для осуществления коммутации, а также источником опережающе­го реактивного тока, компенси­рующего отстающую индуктивную составляющую тока нагрузки. Очевидно, что при cosφ_нг<1 для поддержания необходимого значения угла опережения β емкость кон­денсатора С должна быть увеличена, по сравнению со случаем актив­ной нагрузки инвертора.

Рисунок 33. Форма кривой напряжения нагрузки при различных значениях сопротивления нагрузки: а- при R_нг→∞; б- при R_нг→0.

Векторная диаграмма и основные расчетные соотношения.

Анализи­руя работу инвертора по основной (первой) гармонике выходного напря­жения и токов i, i_с, i_нг можно с достаточной для практики точностью установить расчетные соотношения для определения угла β, емкости коммутирующего и компенсирующего конденсатора С, а также аналити­ческое выражение выходной характеристики U=f(Y_нг), где Y_нг=Z^-1_нг - полная проводимость нагрузки. На рисунке 34 построена векторная диаграмма основных гармоник токов и напряжения инвертора параллельного типа.

Рисунок 34. Векторная диаграмма однофазного инвертора тока

параллельного типа

Рисунок 35. Выходные характеристики инвертора тока параллельного типа

На рисунке 32,и построены основные гармоники общего инвертированного тока i₁ и выходного напря­жения u₁. С достаточной для практики точностью можно при­нять, что угол Ψ определяющий фазовое отставание первой гармоники выходного напряжения u₁ от тока i₁ равен углу опережения инверто­ра β, т.е. Ψ≈β. В соответствии с таким допущением на рисунке 34 выпол­нено построение векторной диаграммы параллельного инвертора для случая активно-индуктивной нагрузки (здесь и в дальнейшем индекс "1", обозна­чающий порядковый номер гармоники, опущен). Из векторной диаграммы имеем

(80)

Умножив в выражении (80) числитель и знаменатель на U будем иметь

, (81)

где Q_c=I_cU - реактивная мощность конденсатора;

Q_нг=I_нгUsinφ_нг- реактивная мощность нагрузки;

P_нг=I_нгUcosφ_нг - активная мощность нагрузки.

На основании соотношения (81) очевидно, что для обеспечения устойчи­вой коммутации в инверторе необходим "избыток" реактивной мощности конденсатора над реактивной мощностью нагрузки, что дополнительно свидетельствует о возможности работы инвертора только при опережаю­щем инвертированном токе i.

Представляя выражения для Q_с, Q_нг, P_нг в виде Q_с =U²ωC, Q=U²Y_нгsinφ_нг, P=U²Y_нгcosφ_нг после подстановки в (81) получим

(82)

где

Y*_нг - относительная полная проводимость нагрузки Y*_нг=Y_нгY_c^-1,

Y_c=ωC- реактивная проводимость конденсатора.

Соотношение (82) является основной расчетной зависимостью, позволяющей правильно выб­рать величину емкости конденсатора, обеспечивающую устойчивую комму­тацию в инверторе.